คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
(รูปนี้ไม่เกี่ยวกับเนื้อหา)
ภาพ 3.25 8 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การศึกษาที่ผ่านมา คลื่นผิวน้ำและคลื่นเสียงเป็นคลื่นกลที่เคลื่อนที่โดยอาศัยตัวกลาง ยังมีคลื่นอีกชนิดหนึ่งที่เคลื่อนที่โดยไม่อาศัยตัวกลาง คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ ดังภาพ 3.25
- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นชนิดใด
จากการศึกษายังพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่ต่างๆ มีลักษณะเฉพาะตัว จึงมีชื่อเรียกต่างกัน เมื่อเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปความถี่สูงจะได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็ฯ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงที่มีความถี่ที่ต่อเนื่องกัน รวมเรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum)
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ทิศของสนามทั้งสองตั้งฉากกันและตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ ดังภาพ 3.25
- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคลื่นชนิดใด
จากการศึกษายังพบว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่ต่างๆ มีลักษณะเฉพาะตัว จึงมีชื่อเรียกต่างกัน เมื่อเรียงลำดับจากความถี่ต่ำไปความถี่สูงจะได้ดังนี้ คลื่นวิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็ฯ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกช่วงที่มีความถี่ที่ต่อเนื่องกัน รวมเรียกว่า สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic spectrum)
หน่วยของความถี่
ความถี่มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์ (Hz) นอกจากนี้ยังมีหน่วย กิโลเฮิรตซ์ (kHz) เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และจิกะเฮิรตซ์ (GHz) โดยมีวคามสัมพันธ์กันดังนี้ 1 kHz = 1000 Hz = 103 Hz 1 MHz = 1000 kHz = 106 Hz 1 GHz = 1000 MHz = 109 Hz |
ภาพ 3.26 สเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้ประโยชน์
ในธรรมชาติมีแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามากมาย เช่น ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์อื่นๆ และแร่ธาตุบางชนิด มนุษย์ยังใช้ความรู้ความสามารถประดิษฐ์เครื่องกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้อีกมาก ซึ่งนำมาใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีทั้งประโยชน์และโทษ จึงจำเป็นต้องมีความรู้ความเข้าใจอย่างถูกต้องแท้จริง
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ประโยชน์มากในชีวิจประจำวันคือ คลื่นวิทยุ (radio wave) ซึ่งมีความถี่ในช่วง 104 ถึง 109 เฮิรตซ์ เป็นคลื่นที่ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิง ทำการส่งได้โดยเปลี่ยนเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วผสมกับคลื่นวิทยุซึ่งทำหน้าที่เป็นคลื่นพาหะคลื่นที่ผสมแล้วจะถูกขยายให้มีกำลังสูงขึ้น แล้วส่งไปยังสายอากาศเพื่อกระจายคลื่นไปยังเครื่องรับวิทยุ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ประโยชน์มากในชีวิจประจำวันคือ คลื่นวิทยุ (radio wave) ซึ่งมีความถี่ในช่วง 104 ถึง 109 เฮิรตซ์ เป็นคลื่นที่ใช้ในการส่งข่าวสารและสาระบันเทิง ทำการส่งได้โดยเปลี่ยนเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วผสมกับคลื่นวิทยุซึ่งทำหน้าที่เป็นคลื่นพาหะคลื่นที่ผสมแล้วจะถูกขยายให้มีกำลังสูงขึ้น แล้วส่งไปยังสายอากาศเพื่อกระจายคลื่นไปยังเครื่องรับวิทยุ
ภาพ 3.27 การส่งและรับคลื่นวิทยุ
การผสมสัญญาณเสียงกับคลื่นวิทยุมี 2 ระบบคือ เอเอ็ม (AM : Amplitude Modulation) และเอฟเอ็ม (FM: Frequency Modulation) การผสมคลื่นระบบ AM แอมพลิจูดของคลื่นพาหะจะเปลี่ยนตามคลื่นเสียง ส่วนความถี่ของคลื่นพาหะไม่เปลี่ยน โดยส่งกระจายเสียงด้วยความถี่ 530-1,600 กิโลเฮิรตซ์ ส่วนการผสมคลื่นระบบ FM แอมพลิจูดของคลื่นพาหะไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความถี่ของคลื่นพาหะเปลี่ยนแปลงตามคลื่นเสียง ส่งกระจายเสียงด้วยความถี่ 88 - 108 เมกะเฮิรตซ์ ดังภาพ 3.28
ภาพ 3.28 การผสมสัญญาณ
นอกจากนี้ยังอาจส่งกระจายเสียงโดยใช้คลื่นวิทยุที่มีความถี่สูงกว่าเล็กน้อย คือ ประมาณ 2 -30 เมกะเฮิรตซ์ เรียกว่า คลื่นสั้น หรือ ชอร์ทเวฟ มักใช้ในการสื่อสารระหว่างประเทศ
- สถานีวิทยุกรีนเวฟส่งกระจายคลื่นด้วยความถี่ 106.5 เมกะเฮิรตซ์ จะมีความยาวคลื่นเท่าใด
- สถานีวิทยุกรีนเวฟส่งกระจายคลื่นด้วยความถี่ 106.5 เมกะเฮิรตซ์ จะมีความยาวคลื่นเท่าใด
ภาพ 3.29 การสะท้อนของคลื่นวิทยุที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์
ตาราง 3.2 การใช้งานคลื่นวิทยุและไมโครเวฟ
| ช่วงความถี่ | การใช้งาน |
| 30 Hz - 300 kHz 300 kHz - 3 MHz 3 - 30 MHz 30 - 300 MHz 300 MHz - 3GHz มากกว่า 3 GHZ | สื่อสารทางทะเล ส่งคลื่นวิทยุระบบเอเอ็ม ส่งคลื่นสั้นระหว่างประเทศ ส่งคลื่นวิทยุระบบเอฟเอ็ม ส่งคลื่นโทรทัศน์และโทรทัศน์เคลื่อนที่ สื่อสารผ่านดาวเทียม |
กิจกรรม 3.3 สืบค้นข้อมูลเรื่องคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดและการกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รวมไปถึงการใช้ประโยชน์ และผลของการใช้ ทั้งคุณและโทษ แล้วนำเสนอข้อมูลต่อชั้นเรียน
คลื่นวิทยุในช่วงความถี่ต่ำถึงปานกลางสามารถสะท้อนที่บรรยากาศชัน ไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) ซึ่งอยู่สูงจากผิวโลกประมาณ 100 กิโลเมตร ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการติดต่อสื่อสารกับสถานที่ที่อยู่ไกลได้ แต่สำหรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงกว่า คลื่นจะทะลุผ่านชั้นไอโอโนสเฟียร์ไปได้ จึงใช้ในการติดต่อกับยายอวกาศที่เดินทางไปไกลจากโลกมากๆ ดังนั้นการรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มบนพื้นโลก จึงได้รับเฉพาะคลื่นที่แผ่กระจายจากสายอากาศของเครื่องส่ง ตรงมายังเครื่องรับวิทยุของเราจึงรับสัญญาณได้ไม่ไกลมาก
คลื่นเป็นพลังงานที่มีอยู่ในธรรมชาติและที่มนุษย์ผลิตขึ้นได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตประจำวัน และการทำกิจกรรมต่างๆของมนุษย์ การทำความเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติและการใช้ประโยชน์ของคลื่นจะช่วยให้มนุษย์และสิ่งแวดล้อมดำรงอยู่ได้อย่างยั่งยืนและสมดุลทำให้นำมาใช้งานได้อย่างปลอดภัยต่อตนเองและสิ่งแวดล้อม
สืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดและการกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า รวมไปถึงการใช้ประโยชน์ และผลของการใช้ ทั้งคุณและโทษ แล้วนำเสนอข้อมูลต่อชั้นเรียน
คลื่นวิทยุในช่วงความถี่ต่ำถึงปานกลางสามารถสะท้อนที่บรรยากาศชัน ไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere) ซึ่งอยู่สูงจากผิวโลกประมาณ 100 กิโลเมตร ทำให้สามารถใช้คลื่นวิทยุในการติดต่อสื่อสารกับสถานที่ที่อยู่ไกลได้ แต่สำหรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มซึ่งมีความถี่สูงกว่า คลื่นจะทะลุผ่านชั้นไอโอโนสเฟียร์ไปได้ จึงใช้ในการติดต่อกับยายอวกาศที่เดินทางไปไกลจากโลกมากๆ ดังนั้นการรับคลื่นวิทยุในระบบเอฟเอ็มบนพื้นโลก จึงได้รับเฉพาะคลื่นที่แผ่กระจายจากสายอากาศของเครื่องส่ง ตรงมายังเครื่องรับวิทยุของเราจึงรับสัญญาณได้ไม่ไกลมาก
คลื่นเป็นพลังงานที่มีอยู่ในธรรมชาติและที่มนุษย์ผลิตขึ้นได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในชีวิตประจำวัน และการทำกิจกรรมต่างๆของมนุษย์ การทำความเข้าใจเกี่ยวกับสมบัติและการใช้ประโยชน์ของคลื่นจะช่วยให้มนุษย์และสิ่งแวดล้อมดำรงอยู่ได้อย่างยั่งยืนและสมดุลทำให้นำมาใช้งานได้อย่างปลอดภัยต่อตนเองและสิ่งแวดล้อม
ธรรมชาติของ “แสง” แสดงความประพฤติเป็นทั้ง “คลื่น” และ “อนุภาค” เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติความเป็นคลื่น เราเรียกว่า “คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า” (Electromagnetic waves) ซึ่งประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าทำมุมตั้งฉาก ดังที่แสดงในภาพที่ 1 แสงเคลื่อนที่ไปในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที เมื่อเรากล่าวถึงแสงในคุณสมบัติของอนุภาค เราเรียกว่า “โฟตอน” (Photon) เป็นอนุภาคที่ไม่มีมวล
ภาพที่ 1 คุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงคลื่น 400 – 700 นาโนเมตร (1 เมตร = 109 นาโนเมตร หรือ 100 ล้านนาโนเมตร) หากนำแท่งแก้วปริซึมมาหักเหแสงอาทิตย์ เราจะเห็นว่าแสงสีขาวถูกหักเหออกเป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำ เรียกว่า “สเปกตรัม” (Spectrum) แสงแต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ ดังที่แสดงในภาพที่ 2 ได้แก่
• รังสีแกมมา (Gamma ray) ความยาวคลื่นน้อยกว่า 0.01 nm
• รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 nm
• รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 nm
• แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
• รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
• คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm
• คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว
• รังสีเอ็กซ์ (X-ray) มีความยาวคลื่น 0.01 - 1 nm
• รังสีอุลตราไวโอเล็ต (Ultraviolet radiation) มีความยาวคลื่น 1 - 400 nm
• แสงที่ตามองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 700 nm
• รังสีอินฟราเรด (Infrared radiation) มีความยาวคลื่น 700 nm – 1 mm
• คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) มีความยาวคลื่น 1 mm – 10 cm
• คลื่นวิทยุ (Radio wave) ความยาวคลื่นมากกว่า 10 cm
คลิก เพื่อดูภาพเคลื่อนไหว
หมายเหตุ
• ตำราดาราศาสตร์ส่วนใหญ่กำหนดให้ คลื่นไมโครเวฟเป็นส่วนหนึ่งของคลื่นวิทยุ
• บางแห่งใช้หน่วยความยาวคลื่นเป็น อังสตรอม (
) โดยที่ 1 เมตร = 1010
หรือ 10,000,000,000 หรือ 1 nm = 10
• ตำราดาราศาสตร์ส่วนใหญ่กำหนดให้ คลื่นไมโครเวฟเป็นส่วนหนึ่งของคลื่นวิทยุ
• บางแห่งใช้หน่วยความยาวคลื่นเป็น อังสตรอม (
) โดยที่ 1 เมตร = 1010 หรือ 10,000,000,000 หรือ 1 nm = 10 
ภาพที่ 2 คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆ
นักดาราศาสตร์ทำการศึกษาวัตถุท้องฟ้า โดยการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่วัตถุแผ่รังสีออกมา สเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เราทราบถึงคุณสมบัติทางกายภาพของดวงดาว อันได้แก่ อุณหภูมิ และพลังงาน นอกจากนั้นยังบอกถึง ธาตุ องค์ประกอบทางเคมี และทิศทางการเคลื่อนที่ของเทห์วัตถุด้วย
ภาพที่ 3 สเปกตรัมของแสงอาทิตย์
สเปกตรัมของแสงอาทิตย์ในภาพที่ 3 แสดงให้เห็นถึงระดับความเข้มของพลังงานในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ จะเห็นได้ว่า ดวงอาทิตย์มีความเข้มของพลังงานมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 500 นาโนเมตร เส้นสีเข้มบนแถบสเปกตรัม หรือ รอยหยักบนเส้นกราฟแสดงให้เห็นว่า มีธาตุไฮโดรเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ ดาวแต่ละดวงมีสเปกตรัมไม่เหมือนกัน ฉะนั้นสเปกตรัมจึงมีคุณสมบัติเปรียบได้กับเส้นลายมือของดาว
ความสัมพันธ์ระหว่าง ความยาวคลื่น (Wavelength) และ ความถี่ (Frequency)
วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) มีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ มิใช่มีเพียงสิ่งที่มีอุณหภูมิสูง ดังเช่น ดวงอาทิตย์ และไส้หลอดไฟฟ้า จึงมีการแผ่รังสี หากแต่สิ่งที่มีอุณหภูมิต่ำดังเช่น ร่างกายมนุษย์ และน้ำแข็ง ก็มีการแผ่รังสีเช่นกัน เพียงแต่ตาของเรามองไม่เห็น
พิจารณาภาพที่ 4 เมื่อเราให้พลังงานความความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อมันเริ่มร้อน มันจะเปล่งแสงสีแดง (สามารถเห็นได้จากขดลวดของเตาไฟฟ้า) เมื่อมันร้อนมากขึ้น มันจะเปล่งแสงสีเหลือง และในที่สุดมันจะเปล่งแสงสีขาวอมน้ำเงิน
พิจารณาเส้นกราฟ จะเห็นว่า
พิจารณาภาพที่ 4 เมื่อเราให้พลังงานความความร้อนแก่แท่งโลหะ เมื่อมันเริ่มร้อน มันจะเปล่งแสงสีแดง (สามารถเห็นได้จากขดลวดของเตาไฟฟ้า) เมื่อมันร้อนมากขึ้น มันจะเปล่งแสงสีเหลือง และในที่สุดมันจะเปล่งแสงสีขาวอมน้ำเงิน
พิจารณาเส้นกราฟ จะเห็นว่า
| • | เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 3,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 1000 nm (นาโนเมตร) ซึ่งตรงกับย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีแดง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่ต่ำที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้ |
| • | เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 5,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 580 nm เราจึงมองเห็นแท่งโลหะเปล่งแสงสีเหลือง |
| • | เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 10,000 K ความยาวคลื่นสูงสุดที่ยอดกราฟจะอยู่ที่ 290 nm ซึ่งตรงกับย่านรังสี อุลตราไวโอเล็ก ซึ่งสายตาเราไม่สามารถมองเห็นรังสีชนิดนี้ เราจึงเห็นแท่งโลหะแผ่แสงสีม่วง เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่สูงที่สุดแล้ว ที่เราสามารถมองเห็นได้ |
ภาพที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับอุณหภูมิ
ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่า วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น ส่วนวัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว
กฎของเวน (Wien’s Law): ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น และอุณหภูมิ
วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) ย่อมมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ (วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น, วัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว) ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน
วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 เคลวิน (-273°C) ย่อมมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแปรผกผันกับอุณหภูมิ (วัตถุร้อน มีพลังงานสูง และแผ่รังสีคลื่นสั้น, วัตถุเย็น มีพลังงานต่ำ แผ่รังสีคลื่นยาว) ในปี ค.ศ.1893 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม เวน (Wilhelm Wien) ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความร้อน
 max = 0.0029 / T |
max = ความยาวคลื่นเข้มสุด มีหน่วยเป็นเมตร (m)T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)
ตัวอย่างที่ 1 แสดงให้เห็นว่า เราสามารถคำนวณหาอุณหภูมิพื้นผิวของดาวได้ ถ้าเราทราบความยาวคลื่นเข้มสุด ที่ดาวนั้นแผ่รังสีออกมา
| ตัวอย่างที่ 1: ดวงอาทิตย์แผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเข้มสุด 500 นาโนเมตร อยากทราบว่า ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิวเท่าไรmax = 0.0029 / T T = 0.0029 / max= 0.0029 / 500 x 10-9 m = 5,800 K |
กฎของแพลงก์ (Plank’s Law)
โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว
โฟตอนเป็นอนุภาคของแสง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 300,000,000 เมตร/วินาที พลังงานของโฟตอนแปรผันตามความถี่ แต่แปรผกผันกับความยาวคลื่น โฟตอนของคลื่นสั้นมีพลังงานมากกว่าโฟตอนของคลื่นยาว
E = hf
E = hc/ |
พลังงานของโฟตอน = h x ความถี่
= h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น
= h x ความเร็วแสง / ความยาวคลื่น
ความยาวคลื่น () = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10-34 จูล วินาที (J.s)
) = ระยะห่างระหว่างยอดคลื่น มีหน่วยเป็นเมตร (m)ความถี่ (f) = จำนวนคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านจุดที่กำหนด ในระยะเวลา 1 วินาที มีหน่วยเป็นเฮิรทซ์ (Hz)
ค่าคงที่ของแพลงก์ (h) = 6.6 x 10-34 จูล วินาที (J.s)
ตัวอย่างที่ 3 แสดงให้เห็นว่า โฟตอนของแสงสีม่วงซึ่งมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดงซึ่งมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร ถึง 1.75 เท่า
ตัวอย่างที่ 2: โฟตอนของแสงสีม่วงมีความยาวคลื่น 400 นาโนเมตร โฟตอนของแสงสีแดงมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร โฟตอนทั้งสองมีพลังงานต่างกันอย่างไร
Eviolet = hc /
= [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1M / 400 x 10-9 nm= 4.95 x 10-19 จูล Ered = hc / = [6.6 x 10-34 J.s] [3 x 108 m s-1] / 700 x 10-9 nm= 2.83 x 10-19 จูล โฟตอนของแสงสีม่วง มีพลังงานสูงกว่า โฟตอนของแสงสีแดง 1.75 เท่า |
ความเข้มของพลังงาน (Energy Flux) แปรผันตามค่ายกกำลังสี่ของอุณหภูมิ มีหน่วยเป็น จูล / ตารางเมตร วินาที หรือ วัตต์ / ตารางเมตร
F =  T4 |
F = ความเข้มของพลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ / ตารางเมตร (W m-2)
= 5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m-2 K-4)
T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)
= 5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4 (W m-2 K-4)T = อุณหภูมิของวัตถุ มีหน่วยเป็นเคลวิน (K)
ถ้าเราทราบว่า ความยาวคลื่นเข้มสุดที่ดาวแผ่รังสีออกมา เราก็จะทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว (ดังตัวอย่างที่ 1) และเมื่อเราทราบอุณหภูมิพื้นผิวของดาว เราก็จะทราบว่า พลังงานที่ดาวแผ่ออกมานั้นมีความเข้มเท่าไร (ดังตัวอย่างที่ 3)
| ตัวอย่างที่ 3: พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิเฉลี่ย 5,800 K มีความเข้มของพลังงานเท่าไร F = T4= (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร K4) (5800 K)4 = (5.67 x 10-8 วัตต์ / ตารางเมตร) (1.13 x 1015) = 64,164,532 วัตต์ / ตารางเมตร |
ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและระยะทาง
ในการแผ่รังสี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังที่แสดงในภาพที่ 2
ในการแผ่รังสี คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกจากจุดกำเนิดทุกทิศทุกทาง เปรียบเสมือนทรงกลมที่มีจุดกำเนิดเป็นจุดศูนย์กลาง โดยเมื่อพลังงานแพร่ออกไป ความเข้มของพลังงานจะลดลงไปเท่ากับ หน่วยของระยะทางยกกำลังสอง ดังที่แสดงในภาพที่ 2
ภาพที่ 2 กฏของสเตฟาน–โบลทซ์มานน์
กฎระยะทางผกผันกำลังสอง
| F1 / F2 = (D2 / D1)2 |
F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 1
F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 2
D1 = ระยะทางจากจุดกำเนิดถึงระยะทางที่ 1
D2 = ระยะทางจากจุดกำเนิด ถึงระยะทางที่ 2
F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ระยะทางที่ 2
D1 = ระยะทางจากจุดกำเนิดถึงระยะทางที่ 1
D2 = ระยะทางจากจุดกำเนิด ถึงระยะทางที่ 2
ตัวอย่างที่ 4 แสดงให้เห็นว่า ดวงอาทิตย์มีรัศมี 694 ล้านเมตร พื้นผิวของดวงอาทิตย์แผ่รังสีด้วยความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร แสงอาทิตย์เดินทางมายังโลกเป็นระยะทาง 149.6 ล้านกิโลเมตร ซึ่งมีระยะห่างมากกว่ารัศมีของดาวอาทิตย์ 216 เท่า ทำให้แสงอาทิตย์มีความเข้มน้อยลง (216)2 เท่า ดังนั้น แสงอาทิตย์ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลกด้วยความเข้มเพียง 1,370 วัตต์/ตารางเมตร
| ตัวอย่างที่ 4: พลังงานที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีความเข้ม 64 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร อยากทราบว่า พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบบรรยากาศชั้นบนของโลก จะมีความเข้มเท่าไร F1 = ความเข้มของพลังงาน ณ บรรยากาศโลกชั้นบน F2 = ความเข้มของพลังงาน ณ ผิวดวงอาทิตย์ = 64,000,000 วัตต์/ตารางเมตร D1 = รัศมีของวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ = 149.6 x 109 เมตร D2 = รัศมีของดวงอาทิตย์ = 694,000,000 เมตร F1 = F2 (D2/D1)2 F1 = (64 x 106 วัตต์/ตารางเมตร) (694 x 106 เมตร / 149.6 x 109 เมตร)2 = 1,370 วัตต์/ตารางเมตร |
สรุปกฎการแผ่รังสี
| 1. | คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในอวกาศด้วยความเร็ว 300,000 กิโลเมตร/วินาที | |
| 2. | คลื่นสั้นมีความถี่สูง คลื่นยาวมีความถี่ต่ำ | |
| 3. | วัตถุทุกชนิดที่มีอุณภูมิสูงกว่า 0 K (-273°C) ล้วนมีพลังงานภายในตัว และมีการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า | |
| 4. | วัตถุที่มีอุณหภูมิสูง ย่อมมีการแผ่พลังงาน (อัตราการไหลของพลังงาน) มากกว่าวัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ | |
| 5. | พลังงานของโฟตอนแปรผันโดยตรงกับความถี่ (E = h ) | |
| 6. | พลังงานของโฟตอนแปรผกผันกับความยาวคลื่น (E = hc /) | |
| 7. | วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำแผ่รังสีคลื่นยาว ( max = 0.0029 / T) | |
| 8. | ความเข้มของพลังงานแปรผกผันกับหน่วยของระยะทางยกกำลังสอง (F1/F2 = (D2/D1)2) | |
การคำนวณหาพลังงานจากดวงอาทิตย์
| 1. | Spectrum จากดวงอาทิตย์ มีความยาวคลื่นที่มีพลังงานสูงสุดmax = 500 นาโนเมตร กฎของเวน T = 0.0029 / max ทำให้ทราบค่าอุณหภูมิพื้นผิว = 5,800 K ........(ตัวอย่างที่ 1) | |
| 2. | กฎสเตฟาน-โบลทซ์มานน์ F = T4 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่พื้นผิว = 64 ล้านวัตต์/ตารางเมตร ........(ตัวอย่างที่ 3) | |
| 3. | กฎระยะทางผกผันกำลังสอง F1 / F2 = (D2 / D1)2 ทำให้ทราบค่าความเข้มของพลังงานที่ตกกระทบบรรยากาศของโลก = 1,370 ล้านวัตต์ / ตารางเมตร ........(ตัวอย่างที่ 4)
แหล่งที่มา : http://www.vcharkarn.com/lesson/1037
http://www.pw.ac.th/emedia/media/science/lesa/3/nature_ligth/em_property/em_property.html |
